90 钍 汽灯的元素

本文作者：漂泊

钍是锕系元素的一员，也是第二种被人们发现的放射性元素，它主要存在于独居石中。钍最重要的用途是用于核反应堆作为核燃料。氧化钍是钍最重要的化合物之一，它可以用于制造钍汽灯、催化剂、摄像机特殊镜头等等。

钍的基本物理性质

钍的发现

1815年，瑞典科学家Jöns Jacob Berzelius分析了一种来自瑞典中部的不寻常钇土样本。他在其中发现了一种白色的矿物，他认为这可能是一种包含未知元素的稀土。他在1817年将该元素命名为Thorium，来自于北欧神话中的雷神。在研究了更多的样品后，他撤回了它命名，因为这并不是一种新元素，而是磷酸钇。

1828年，挪威矿物学家Morten Thrane Esmark在Løvøya岛发现了一种黑色矿物，他将该矿物样品寄给了他的父亲Jens Esmark，Royal Frederick University的著名矿物和地理学家。他发现这是一种未知的矿物，于是他将该样品寄给了Jöns Jacob Berzelius作进一步分析。他发现其中包含了一种新的元素。利用金属钾还原，他获得了其不纯的单质（该矿物中含有KThF5）。于是Jöns Jacob Berzelius用之前使用过的名字Thorium对该新元素进行了命名。他也对该元素的单质及化合物进行了初步表征，发现氧化钍中钍与氧的质量比约为7.5，这与实际值约7.3相差很小。但是他错误的假定钍是二价的而不是四价，因此他计算的钍的相对原子质量是实际值的一半。他也发现钍是电正性很强的金属。

1914年，荷兰商人Dirk Lely Jr. and Lodewijk Hamburger首次制得了纯净的金属钍。[1-10]

金属钍

钍在元素周期表中位置的变化

1869年，在门捷列夫刚刚出版元素周期表时，钍放置在主体表格之外，在碱土金属那一列的末尾。在那个时候，钍被认为是二价的稀土元素，当人们意识到稀土元素主要是三价，而钍是四价时，门捷列夫将钍移到了第四族（包含了现在的碳族元素和钛族元素，即第四主族和第四副族），因为它们的氧化态都是+4。铯被移动到单独的镧系元素中，而钍由于与钛、锆相似的性质，没有被移动。

19世纪晚期，化学家们才一致认为钍和铀与铪和钨性质相似。1892年，英国化学家Henry Bassett建议安排第二行长表去安排未发现及未安排的元素，包括钍及铀等与镧系元素性质相似的元素。1913年，丹麦物理学家波尔提出了一种原子及其电子轨道的理论模型，很快就被接受了。该理论认为在过渡金属元素中，第七行（锕系）的元素应该在电子填满d轨道之后，填f轨道。直到第一个超铀元素钚被发现，它同镧系元素一样具有+3及+4的氧化态，证实了锕系元素电子确实填充了f轨道而不是d轨道。1945年，美国物理学家Glenn T. Seaborg 发现了镅和锔，他意识到钍应该是有f电子，应该排在锕系元素的第二位，而不应该作为铪的同系物，于是钍在元素周期表中的位置最终被确定了下来。[11-15]

锕系元素

钍的应用

1885年，奥地利化学家Carl Auer von Welsbach发明了钍汽灯，它的原理是氧化钍在利用汽油加热时会发出耀眼的白光。很快，钍也被拓展到其他用途，例如碳弧灯、催化剂（氨氧化反应）等等。

1898年，钍首次被具有放射性，德国化学家Gerhard Carl Schmidt和居里夫人先后独立发现了这一点。钍是第二种被发现具有放射性的元素。卢瑟福则发现钍在进行衰变时会放出放射性气体，也就是氡，这是唯一的一种放射性稀有气体元素。有人利用钍放射性衰变产生的氡进行放射治疗，结果却导致了白血病。由于钍的放射性危害，它逐渐被更为安全的元素替代了。

钍主要是从独居石中提取的，它可以用于核反应堆，印度提供了世界上大多数的钍，但是它缺少铀，因此印度建造了许多钍反应堆。钍最常见的核素是232Th，当232Th在遭受慢中子轰击时，会发生两次β衰变产生233U，233U相对于235U而言更容易发生衰变，是反应堆的常见燃料，当它发生链式反应时，又会产生中子，这些中子又会轰击232Th，从而继续这个循环。相对于铀而言，钍的储量更大，能供应整个世界使用更长时间。相比于氧化铀而言，氧化钍有着更高的熔点，更好的导热性以及较小的热膨胀系数，化学性质也更为稳定。（UO3加热时容易分解为U3O8）。

除此之外，钍还有一些其他的用途，在制造白炽灯丝时，向待烧结的钨粉中加入少量的氧化钍有利于钨的重结晶。钍还会在钨表面形成一层原子级的薄层，它的存在可以降低发射电子的功函。这种灯丝在电子管中非常常见，直到晶体管出现取代了电子管。向玻璃中添加氧化钍可以增加它的折射系数并减小散射。这种玻璃可以用于摄像机及科学仪器所使用的高质量镜头。少量钍的存在危害性不大。加入氧化钍的镜头会显现黄色，如果暴露在紫外光下，氧化钍会慢慢的转变为稀土元素氧化物，因而黄色会褪去。 [16-21]